分散控制系統技術研究

【摘 要】本文通過概述DCS控制系統的產生、發展趨勢以及其體系結構，讓讀者對DCS控制系統有初步的了解。

【關鍵詞】DCS控制系統；DDC數字控制；過程控制PCU

分散型計算機控制系統又名分布式計算機控制系統，簡稱分散型控制系統（Distributed Control System —DCS）。分散型控制系統綜合了計算機（Computer）技術、控制（Control）技術、通信（Communication）技術、CRT顯示技術即4C技術，集中了連續控制、批量控制、邏輯順序控制、數據采集等功能。

一、DCS控制系統結構

系統操作層是DCS的基礎，其主要設備是過程控制站（PCS），PCS主要由輸入輸出單元（IOU）和過程控制單元（PCU）兩部分組成。過程控制單元下與IOU連接，上與控制網絡（CNET）連接，其功能一是直接數字控制（DDC），即連續控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等；二是與控制網絡通信，以便操作監控層對生產過程進行監控和操作；三是進行安全冗余處理，一旦發現PCS硬件或軟件故障，就立即切換到備用件，保證系統不間斷地安全運行操作監控層是DCS的中心，其主要設備是操作員站、工程師站、監控計算機站和計算機網關。

二、系統操作層分析

系統操作層又稱控制站（CS）或過程控制站（PCS）主要由輸入輸出單元（IOU）、過程控制單元（PCU）和電源三部分組成。 輸入輸出單元（IOU）是PCS的基礎，由各種類型的輸入輸出處理板（IOP）組成，如模擬量輸入板（4mA～20mA DC，0～5V DC）、熱電偶輸入板、熱電阻輸入板、脈沖量輸入板、數字量輸入板、模擬量輸出板（4mA～20mA DC）、數字量輸出板和串行通信接口板等。這些輸入輸出處理板的類型和數量可按生產過程信號類型和數量來配置；另外，與每塊輸入輸出處理板配套的還有信號調整板（signal conditioner card， SCC）和信號端子板（signal terminal card， STC），其中SCC用作信號隔離、放大或驅動，STC用作信號接線。上述IOP、SCC和STC的物理劃分因DCS而異，有的劃分為三塊板結構；有的劃分為兩塊板結構，即IOP和SCC合并，外加一塊STC；有的將IOP，SCC和STC三者合并一塊物理模板，并附有接線端子。控制處理器板功能是運算、控制和實時數據處理；輸入輸出接口處理器板是PCU和IOP之間的接口；通信處理器板是PCS與控制網絡（CNET）的通信網卡，實現PCS與CNET之間的信息交換；PCS采用冗余PCU和IOU，冗余處理器板承擔PCU和IOU的故障分析與切換功能。上述4塊板的物理劃分因DCS而異，可以分為4、3、2塊，甚至合并為1塊。一般來說，現場控制站由現場控制單元組成。現場控制單元是DCS中直接與現場過程進行信息交互的I/O處理系統，用戶可以根據不同的應用需求，選擇配置不同的現場控制單元構成現場控制站。

三、控制層分析

控制層又稱操作員站（OS）為32位（或64位）微處理機或小型機，主要由主機、彩色顯示器、操作員專用鍵盤和打印機等組成。其中主機的內存容量、硬盤容量可由用戶選擇，彩色顯示器可選觸屏式或非觸屏式，分辨率也可選擇，一般用工業PC機（IPC）或工作站做OS主機，個別DCS制造廠配專用OS主機，前者是發展趨勢，這樣可增強操作員站的通用性及靈活性。一般DCS的直接控制層和操作監控層的設備（如PCS，OS，ES，SCS）都有定型產品供用戶選擇，即DCS制造廠為這兩層提供了各種類型的配套設備。惟有生產管理層和決策層的設備無定型產品，一般由用戶自行配置，當然要由DCS制造廠提供控制網絡（CNET）與生產管理網絡（MNET）之間的硬、軟件接口，即計算機網關（CG1）。這是因為一般DCS的直接控制層和操作監控層不直接對外開放，必須由DCS制造廠提供專用的接口才能與外界交換信息，所以說DCS的開放是有條件的開放。異步事件響應、任務切換能力、中斷響應能力、優先級中斷和調度、同步能力實時數據是DCS最基本的資源，DCS的實時數據庫是全局數據庫，通常采用分布式數據庫結構，因此，數據庫系統在不同層次上采用的結構不同。由前面分析知道，DCS實時數據庫是全局、分布式數據庫，操作員站對DCS集中管理和操作的基礎就是系統的網絡通信，它是DCS的關鍵技術之一。

四、DCS系統的控制特點與發展趨勢

隨著計算機技術的發展及其在工業控制系統中的應用，DCS表現出十分優越的性能，將工業過程自動化提高到一個新的水平。這種方式在檢測環節方面存在的問題是精度低、動態補償能力差、無自診斷功能；同時由于各DCS開發商生產自己的專用平臺，使得不同廠商的DCS不兼容，互操作性差。近年來，隨著新技術、新器件、新方法、新應用的相互促進，在DCS關聯領域有許多新進展，主要表現在如下一些方面。傳統DCS的結構是封閉式的，使得不同制造商的DCS之間不兼容。這些智能現場儀表采用現場總線與DCS連接，目前大多沿用HART通信協議。在現階段使現場總線與傳統的DCS系統盡可能地協同工作，這種集成方案能夠靈活地系統組態，得到更廣泛的、富于實用價值的應用。現場總線集成于DCS的方式可從兩個方面來考慮。：現場總線于DCS系統I/O總線上的集成；現場總線通過網關與DCS系統并行集成。